Kubernetes multi cluster là gì? Cách kết nối và làm việc với nhiều cluster

Kubernetes multi cluster là mô hình triển khai và quản lý nhiều cụm Kubernetes độc lập trong cùng một tổ chức, ứng dụng hoặc hệ thống. Trong bài viết này mình sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về Kubernetes multi cluster, từ lợi ích nổi bật, cách hoạt động, đến hướng dẫn cách kết nối, truy cập và làm việc với nhiều cluster, cũng như một số hạn chế và thách thức khi triển khai Kubernetes multi cluster.

Những điểm chính

1. Khái niệm: Hiểu rõ Kubernetes multi cluster là mô hình quản lý nhiều cụm độc lập, giúp bạn hiểu vai trò của nó trong việc xây dựng các hệ thống có tính sẵn sàng cao.
2. Tầm quan trọng: Nhận thức được các lợi ích vượt trội của mô hình multi cluster, giúp bạn giải quyết các bài toán phức tạp về khả năng mở rộng, bảo mật và tuân thủ quy định.
3. Nguyên lý hoạt động và kiến trúc: Nắm được cơ chế vận hành của mô hình multi cluster, giúp bạn hiểu cách các cụm độc lập phối hợp với nhau thông qua các giải pháp mạng và cân bằng tải tập trung.
4. Cách kết nối và quản lý: Tìm hiểu các phương pháp và công cụ phổ biến, giúp bạn thao tác và quản lý nhiều cluster một cách hiệu quả thông qua kubeconfig, các nền tảng tập trung và GitOps.
5. Các phương pháp quản lý: Khám phá các phương pháp quản lý đa cụm phổ biến như Cluster Federation, nền tảng chuyên dụng và GitOps, giúp bạn lựa chọn chiến lược phù hợp với quy mô và độ phức tạp của hệ thống.
6. Hạn chế và thách thức: Nhận diện được những khó khăn và rủi ro tiềm ẩn như độ phức tạp, vấn đề mạng và bảo mật, giúp bạn có sự chuẩn bị và lên kế hoạch tốt hơn khi triển khai.
7. Ví dụ thực tế: Hướng dẫn dùng lệnh kubectl để chuyển đổi ngữ cảnh, giúp tương tác và quản lý nhiều cluster một cách dễ dàng từ một file config.
8. Giới thiệu Vietnix: Biết đến Vietnix là nhà cung cấp nền tảng thuê máy chủ uy tín và hiệu suất cao.
9. Câu hỏi thường gặp: Giải đáp các thắc mắc liên quan đến Kubernetes multi cluster.

Kubernetes multi cluster là gì?

Kubernetes multi cluster là mô hình triển khai và quản lý đồng thời nhiều cụm Kubernetes hoàn toàn độc lập trong một tổ chức hoặc một hệ thống ứng dụng. Thay vì gộp tất cả workload và tài nguyên vào một cụm duy nhất (single cluster), multi cluster cho phép phân tách tài nguyên, môi trường hoạt động, vùng địa lý hoặc workload thành các cụm riêng biệt. Mỗi cluster đều vận hành với thành phần cốt lõi riêng, gồm API server, scheduler, controller, kubelet, kube-proxy,…

Tại sao nên sử dụng multi cluster?

Việc triển khai mô hình multi cluster mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho doanh nghiệp và nhà quản trị hệ thống Kubernetes:

• Cô lập người dùng và khối lượng công việc: Multi cluster giúp tách biệt hoàn toàn người dùng, nhóm phát triển hoặc dự án theo từng cụm riêng, đảm bảo các môi trường phát triển, staging, sản xuất vận hành không ảnh hưởng lẫn nhau và tránh xung đột tài nguyên.​
• Tăng khả dụng và hiệu suất: Khi ứng dụng hoặc cluster gặp quá tải hoặc sự cố, workload có thể được di chuyển sang cluster khác một cách linh hoạt, từ đó giảm downtime, tối ưu hiệu năng và tăng mức độ phục hồi cho toàn hệ thống.​
• Quản lý tập trung, kiểm soát chi phí: Multi cluster có thể được quản trị từ một điểm trung tâm, giúp hợp nhất logging, auditing, cảnh báo và ngăn ngừa các rủi ro phát sinh từ quản lý thủ công trên từng cụm riêng lẻ.​
• Chuyển đổi dự phòng và khôi phục: Nếu một cluster gặp lỗi, workload sẽ tự động chuyển sang các cluster còn lại, đảm bảo ứng dụng luôn sẵn sàng, giảm tối đa rủi ro downtime.​
• Kiểm soát địa lý và chính sách tuân thủ: Multi cluster giúp doanh nghiệp tuân thủ các yêu cầu lưu trữ, xử lý dữ liệu theo quy định vùng, quốc gia hoặc khu vực địa chính trị mà single cluster đơn thuần khó đáp ứng.​
• Mở rộng và phân tán ứng dụng: Dễ dàng phân bổ, mở rộng workload vượt giới hạn một cụm đơn nhờ đa cụm, đặc biệt khi sử dụng multi cloud, multi region, phục vụ cho các chiến dịch hoặc thời điểm hoạt động cao điểm.​
• Tăng cường bảo mật và tuân thủ: Việc phân đoạn workload trên multi cluster giúp giới hạn tác động khi xảy ra sự cố bảo mật, ngăn chặn rủi ro lây lan giữa các ứng dụng hoặc môi trường .
• Phân khúc hạ tầng theo khu vực và IoT/Edge Computing: Cho phép triển khai hệ thống tại nhiều địa điểm, trung tâm dữ liệu hoặc phân tán đến các site địa phương, tối ưu hiệu năng, giảm độ trễ và phục vụ các ứng dụng công nghệ mới như IoT, điện toán biên.​

Cách hoạt động của Kubernetes multi cluster

Kubernetes multi cluster hoạt động dựa trên nguyên tắc mỗi cụm vận hành hoàn toàn độc lập với các thành phần riêng như control plane và các worker node. Quản trị viên có thể triển khai nhiều cluster tại các vùng, trung tâm dữ liệu hoặc hệ sinh thái cloud khác nhau để đáp ứng nhu cầu mở rộng, phân vùng tài nguyên hoặc tuân thủ chính sách địa phương.​

Trong kiến trúc multi cluster, lưu lượng truy cập từ người dùng hoặc ứng dụng thường được quản lý qua một thành phần cân bằng tải trung tâm hoặc thông qua mesh service. Bộ cân bằng tải chịu trách nhiệm định tuyến yêu cầu đến cluster thích hợp dựa trên các yếu tố như tài nguyên còn dư, vị trí địa lý, trạng thái hệ thống hoặc loại ứng dụng. Chẳng hạn, nếu một user gửi request khi cụm A đang có nhiều tài nguyên dư thừa hơn, request sẽ được chuyển đến cụm A. nếu cụm A bận hoặc thiếu tài nguyên, request tiếp theo có thể được chuyển sang cụm B.​

Ngoài cân bằng tải, multi cluster còn thường xuyên sử dụng các mô hình redirect lưu lượng linh hoạt để duy trì tính sẵn sàng và tối ưu hoá hiệu suất. Nếu một cluster gặp sự cố, lưu lượng sẽ được tự động chuyển hướng sang cụm khác đảm bảo dịch vụ liên tục hoặc yêu cầu được phân loại và định tuyến đến các cluster phù hợp với chức năng ứng dụng mà cụm đó đang phục vụ.​

Kiến trúc của Kubernetes multi cluster

Kiến trúc của Kubernetes multi cluster được xây dựng dựa trên nhiều cụm độc lập, trong đó mỗi cụm vận hành như một hệ thống hoàn chỉnh với đầy đủ các thành phần lõi. Mỗi cluster đều bao gồm các thành phần chính sau:

• API Server: Đóng vai trò là cổng giao tiếp trung tâm, cung cấp REST API cho các client (người dùng, công cụ quản lý, hệ thống giám sát) tương tác và thực hiện thao tác khai báo, quản trị, giám sát trên toàn hệ thống multi cluster.​
• Scheduler: Chịu trách nhiệm phân tích tài nguyên, chính sách scheduling để quyết định phân bổ pod/container lên các node phù hợp trong từng cluster.​
• Controller Manager: Điều phối trạng thái hệ thống, đảm bảo các đối tượng (node, pod, deployment, service,…) luôn đồng bộ theo cấu hình mong muốn. Các controller điển hình như Node Controller, Endpoint Controller,….
• Kubelet: Chạy trên mỗi node, chịu trách nhiệm quản lý, khởi tạo, giám sát vòng đời container (pod) và báo cáo trạng thái node về control plane.
• Kube-proxy: Đảm bảo kết nối mạng, xử lý routing, forwarding và duy trì các policy về networking, giúp các pod/ service trong cùng (hoặc giữa các) cluster có thể giao tiếp linh hoạt.​
• Etcd: Mỗi cluster có một instance etcd riêng, dùng để lưu trữ dữ liệu trạng thái và cấu hình, đảm bảo tính nhất quán cao và hỗ trợ phục hồi khi có sự cố.

Để kết nối, truy cập và làm việc với nhiều cluster Kubernetes trong mô hình multi cluster, người quản trị và developer có thể sử dụng nhiều phương thức và công cụ được hỗ trợ trực tiếp từ Kubernetes hoặc qua giải pháp quản lý tập trung:

Quản lý đa cluster với kubeconfig

Kubernetes cho phép lưu trữ thông tin về nhiều cluster, user, context trong một hoặc nhiều file kubeconfig. File này định nghĩa danh sách các cluster, thông tin xác thực người dùng và các context ứng với mỗi môi trường. Bạn có thể sử dụng biến môi trường KUBECONFIG để nối nhiều file lại hoặc gộp chung tất cả vào một file duy nhất .

Thêm cluster mới vào kubeconfig:

kubectl config set-cluster <cluster-name> --server=<api-server-endpoint> --certificate-authority=<ca-file>

Thêm user:

kubectl config set-credentials <user-name> --client-certificate=<cert> --client-key=<key>

Kết hợp cluster, user vào context:

kubectl config set-context <context-name> --cluster=<cluster-name> --user=<user-name>

Chuyển context để thao tác với cụm mong muốn:

kubectl config use-context <context-name>

Xem lại danh sách và trạng thái context hiện hành:

kubectl config get-contexts
kubectl config current-context

Quản lý tập trung và đồng bộ quyền truy cập

Trong môi trường đa cluster, các nền tảng như Rancher, VMware Tanzu,… cung cấp dashboard tập trung để quản lý toàn bộ cụm Kubernetes từ một nơi duy nhất. Nhờ đó, việc lựa chọn, chuyển đổi cluster, cấp quyền hoặc phân quyền user được chuẩn hóa, giảm sai sót cấu hình thủ công và đơn giản hóa quy trình vận hành với nhiều cluster cùng lúc.

Tích hợp với các workflow CI/CD và GitOps

File kubeconfig có thể chứa cấu hình cho nhiều cluster và được đưa trực tiếp vào pipeline, giúp hệ thống CI/CD triển khai ứng dụng tới từng môi trường tương ứng. Các công cụ GitOps như ArgoCD, Flux hỗ trợ đọc trạng thái từ Git và tự động đồng bộ deployment lên nhiều cluster, đảm bảo cấu hình và phiên bản ứng dụng luôn nhất quán giữa các môi trường.

Giao tiếp qua API/Load balancer và service mesh

Với các workload phân tán, nhiều cluster có thể giao tiếp với nhau thông qua API gateway, load balancer hoặc các giải pháp liên kết mạng liên cụm. Service mesh giúp định tuyến thông minh, cân bằng tải, mã hóa traffic, kiểm soát truy cập và quan sát (observability) giữa các service nằm trên các cluster khác nhau.

Các bước triển khai mẫu từ tài liệu chính thức

Tài liệu chính thức của Kubernetes mô tả chi tiết cách cấu hình multi-context trong kubeconfig, xác thực người dùng, chuyển đổi context và thao tác song song với nhiều cụm. Các hướng dẫn này cũng bao gồm khuyến nghị bảo mật khi truy cập multi-cluster, giúp đội ngũ vận hành thiết lập quy trình làm việc an toàn, chuẩn hóa cho môi trường sản xuất quy mô lớn.​

Quản lý đa cụm Kubernetes đòi hỏi các phương pháp và công cụ chuyên biệt để đảm bảo vận hành đồng bộ, bảo mật và tối ưu hóa tài nguyên trên toàn hệ thống:

Cluster Federation (Liên kết cụm)

Cluster federation là phương pháp liên kết nhiều cụm Kubernetes thông qua API server và bộ điều khiển quản lý tập trung, cho phép đồng bộ hoá các cấu hình, triển khai dịch vụ và policy giữa nhiều cluster. Federation hỗ trợ khả năng quản lý mạng, triển khai ứng dụng trên multi cluster nhưng có thể giới hạn chức năng, khó mở rộng và triển khai ở quy mô lớn.

Nền tảng quản lý đa cụm chuyên dụng

Các nền tảng quản lý như Rancher, OpenShift, VMware cung cấp giải pháp giám sát, điều khiển và cấu hình nhiều cụm Kubernetes trên một giao diện trung tâm. Các công cụ này giúp quản trị phân quyền, theo dõi, phân phối workload hiệu quả hơn nhưng thường đi kèm chi phí vận hành cao và phụ thuộc vào vendor.

Infrastructure as Code (IaC) và GitOps

Phương pháp IaC sử dụng các công cụ như Terraform, Ansible để định nghĩa hạ tầng và cấu hình cluster dưới dạng mã, giúp tái sử dụng và đồng bộ cấu hình dễ dàng. Khi kết hợp IaC với GitOps (Git làm nguồn cấu hình duy nhất), toàn bộ cấu hình và cập nhật cho các cluster được quản lý trong một repository Git trung tâm, đảm bảo consistency và quản lý tập trung. GitOps với sự hỗ trợ của các công cụ như Flux, ArgoCD, cho phép tự động hoá việc triển khai và kiểm tra trạng thái cho nhiều cụm.

Công cụ service mesh, load balancer và giải pháp mạng

Các giải pháp như service mesh (Istio, Linkerd), load balancer, API Gateway không quản lý cluster trực tiếp nhưng lại đóng vai trò quan trọng trong phân phối lưu lượng, routing, bảo mật, giám sát service giữa nhiều cluster, nhất là các kiến trúc đa cụm lấy mạng làm trung tâm.

Hạn chế và thách thức khi vận hành multi cluster

Khi vận hành Kubernetes multi cluster, doanh nghiệp sẽ đối mặt với nhiều thách thức và hạn chế như:

• Độ phức tạp cấu hình và quản lý: Khi số lượng cluster tăng lên, việc giám sát, bảo mật và vận hành trở nên khó khăn. Bạn cần theo dõi nhiều thành phần hơn và khắc phục sự cố thường phức tạp hơn, đặc biệt khi liên quan đến các service mesh hoặc bộ cân bằng tải phân phối lưu lượng giữa các cụm.
• Vấn đề về mạng và độ trễ: Các sự cố mạng giữa cụm có thể dẫn tới mất đồng bộ hoặc hiệu suất kém, nhất là khi các cluster phân phối ở nhiều khu vực địa lý. Lưu lượng mạng di chuyển xa sẽ làm tăng độ trễ, nguy cơ mất gói tin, gây chậm trễ xử lý request và khó kiểm soát tình trạng ứng dụng.
• Khám phá dịch vụ liên cụm và cân bằng tải: Kubernetes thiếu công cụ tích hợp để phát hiện và kết nối services chạy trên nhiều cluster khác nhau, khiến quá trình cân bằng tải và tích hợp dịch vụ liên cụm gặp khó khăn, phải phụ thuộc vào các công cụ bên ngoài hoặc giải pháp bổ sung.
• Bảo mật và kiểm soát truy cập: Các giải pháp RBAC hay bảo mật tích hợp trong Kubernetes chỉ giới hạn trong từng cluster, việc đồng bộ chính sách bảo mật trên nhiều cụm thường phải thực hiện thủ công hoặc qua các công cụ quản lý tập trung, từ đó gia tăng nguy cơ lỗ hổng và phức tạp khi vận hành.
• Giám sát và khả năng quan sát: Việc đồng bộ giám sát, logging và quan sát trạng thái đa cụm rất phức tạp vì cần triển khai và quản lý nhiều hệ thống monitoring riêng biệt, đồng thời thiếu các giải pháp tự động phân tích và liên kết dữ liệu giữa các cluster.
• Chi phí vận hành và lãng phí tài nguyên: Mỗi cluster yêu cầu một control plane riêng, tăng chi phí hạ tầng tương ứng. Việc phân cụm còn có thể dẫn tới lãng phí tài nguyên khi các node hoặc cụm không khai thác hết công suất mà vẫn phải duy trì, khiến chi phí tăng cao.
• Cấu hình phức tạp và quản lý quyền truy cập: Việc thiết lập và duy trì cấu hình cho nhiều cluster, mỗi cluster đều có API server riêng biệt, đòi hỏi người quản trị phải quản lý quyền truy cập trên từng cụm, thường mất nhiều thời gian và tăng rủi ro nhầm lẫn.
• Gia tăng bề mặt tấn công và nguy cơ bảo mật: Multi cluster làm lộ nhiều điểm truy cập, yêu cầu người vận hành quản lý nhiều chứng chỉ bảo mật, phân quyền, kiểm soát truy cập API giữa các cụm. Nếu không kiểm soát tốt, đây là điểm yếu tiềm tàng cho các mối đe dọa mạng.

Ví dụ thực tế về Kubernetes multi cluster

Đây là ví dụ khi bạn có 3 cluster và sử dụng file config để quản lý:

Và bạn có thể thay đổi qua lại giữa các cluster bằng lệnh:

kubectl config use-context rnd-cluster

Sau khi thay đổi, các lệnh kubectl như kubectl get nodes, kubectl get pods hay kubectl apply sẽ tương tác với cụm cluster mới.

Vietnix – Nhà cung cấp nền tảng thuê máy chủ cho chiến lược Kubernetes multi cluster

Vietnix cung cấp dịch vụ thuê máy chủ uy tín tại Việt Nam, lý tưởng để bạn xây dựng kiến trúc multi cluster hiệu suất cao. Với các tùy chọn cấu hình mạnh mẽ, RAM lớn và ổ cứng NVMe siêu tốc, Vietnix đảm bảo bạn có đủ tài nguyên để vận hành Control Plane và các Worker Node của nhiều cluster, quản lý workload phân tán và đảm bảo tính sẵn sàng vượt trội.

Hãy để Vietnix cung cấp sức mạnh hạ tầng, giúp bạn làm chủ Kubernetes Multi Cluster, tối ưu hóa quy trình DevOps và phát triển các ứng dụng toàn cầu. Liên hệ ngay!

Thông tin liên hệ:

• Website: https://vietnix.vn/
• Hotline: 1800 1093
• Email: sales@vietnix.com.vn
• Địa chỉ: 265 Hồng Lạc, Phường Bảy Hiền, Thành Phố Hồ Chí Minh

Kubernetes multi cluster là một mô hình triển khai mạnh mẽ, mang lại vô số lợi ích cho doanh nghiệp từ việc cô lập workload, tăng khả dụng, quản lý tập trung đến kiểm soát chính sách tuân thủ địa lý. Với kiến trúc dựa trên nhiều cụm độc lập và các phương pháp quản lý đa dạng, multi cluster là giải pháp lý tưởng cho các tổ chức cần mở rộng quy mô, phân tán ứng dụng và tăng cường bảo mật. Mặc dù đối mặt với thách thức về độ phức tạp và chi phí, việc triển khai multi cluster sẽ giúp doanh nghiệp xây dựng một hạ tầng Kubernetes bền vững, linh hoạt và sẵn sàng cho mọi thách thức trong kỷ nguyên Cloud Native.